结构面的变形与强度性质.

岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用hoek–brown准则求解工程岩体强度。

并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。

因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。

1 结构面的力学性质岩体结构面(structural plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。

岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。

因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。

目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。

1.1 结构面抗剪强度结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内测定。

对于起伏较大的粗糙结构面，按barton公式计算时，jrc值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(isrm轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。

如barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线jrc值和分维值d的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数jrc和jrc尺寸效应的特征。

1.2 结构面的变形关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。

以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。

《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。

答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。

1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。

1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。

1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。

研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。

岩体力学考试纲要第一章：绪论主要以各类建筑工程和采矿工程为服务对象。

在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。

第二章：岩块和岩体的地质特征第一节：概述岩体力学研究的对象是在各种地质作用下形成的天然岩体。

重点：讨论岩块、结构面和岩体的地质特征，影响岩块与岩体物理力学性质的主要地质因素以及岩体工程分类等问题。

第二节：岩块1.岩块（rock或rock block）：是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

2.岩石是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集体组成的。

含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、闪角石、辉石等）愈多时，岩块强度愈高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等）愈多时，则岩块强度愈低。

3.一般随石英含量增加，岩块的强度和抗变形性能都明显增加。

4.岩块的结构：是指岩石内矿物颗粒的大小、形状和排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。

5.岩石的粒间连结分结晶连结和胶结连结两类。

6.微结构面：是指存在于矿物颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。

7.岩块的构造是指：矿物集合体之间及其他组分之间的排列组合方式。

8.岩块的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述。

定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术等；定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标。

第三节结构面1.结构面（structural plane）：是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。

结构面根据地质成因的不同可以划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类。

2.岩体的破坏方式有：剪切破坏和拉张破坏两中基本类型。

按破裂面的力学成因可分为剪性结构面和张性结构面两类。

3.结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。

绪论1、何谓岩体力学？它的研究对象是什么？是力学的一个分支学科,是研究岩体在各种力场作用下的变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学,是一门应用型基础学科。

研究对象是各类岩体。

2、岩体力学的研究内容和研究方法是什么？内容:○1岩块、岩体地质特征。

○2岩石的物理、水理与热学性质。

○3岩块的基本力学性质。

○4结构面力学性质。

○5岩体力学性质。

○6岩体中天然应力分布规律及其测量的理论与方法。

○7边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性。

○8岩体性质的改善与加固技术。

○9各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用。

○10工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。

方法：○1工程地质研究法。

○2试验法。

○3数学力学分析法。

○4综合分析法。

一、岩体地质与结构特征1、何谓岩块、岩体？试比较岩块与岩体，岩体与土有何异同点？岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

岩块岩体都是由岩石组成，但岩体包含若干不连续结构面，岩块不含显著结构面。

岩块是岩体的组成物质，岩体是岩块和结构面的统一体。

岩石露在地表部分被风化和淋滤后形成的不溶于水的物质，残留在原地的形成土。

矿物，岩石，岩体都可以形成土。

组成岩体的岩石的矿物颗粒间具有牢固的连接而土没有。

2、岩石的矿物组成是怎样影响岩块的力学性质的？岩石是天然产出的具稳定外型的矿物或玻璃集合体，按照一定的方式结合而成。

力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。

矿物硬度大则强度大，反之则小。

3、何谓岩块的结构？它是怎样影响岩块的力学性质的？岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形式和排列方式及微结构面发育情况与粒间连接方式等反应在岩块构成上的特征。

力学性质主要取决于矿物颗粒连接及微结构面的发育特征。

4、为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？可能与其二氧化硅的含量有关。

§3.3 结构面的强度性质•结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。

•结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。

•在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。

•在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。

•一、平直无充填的结构面 •二、粗糙起伏无充填的结构面•三、非贯通断续的结构面 •四、碎块岩体结构面强度•五、具有充填物的软弱结构面一、平直无充填的结构面•平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。

•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。

坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。

•这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：jj C tg +=φστ二、粗糙起伏无充填结构面的强度σττ自然界中，大多数结构面的表面波状起伏，与平直结构面相比错动时具有剪胀作用，产生一个附加强度，称作楔效应。

这种楔效应可分为规则齿状结构面摩擦和不规则齿状结构面摩擦。

（一）规则齿状结构面的楔效应摩擦强度对规则齿状结构面的强度，帕顿（Patton）和勒单尼（Ladanyi）研究得出的强度公式最为经典。

1.帕顿提出的结构面强度公式当作用在结构面上的正应力较小时岩体具有剪胀现象。

如下图所示，取一齿面分析，见下面右图。

ββββcos sin sin cos T N T T N N '+'='-'=ββββTcon N T T N N +-='+='sin sin cos 改变函数形式，则齿状结构面法向力N ，切向力T 为：若齿状结构面水平，作用在齿状结构面法向力为N ，切向力为T ；齿面倾角为β，则齿面上的法向力和剪力为：（3－a ）（3－b ）设齿面上的摩擦角为φj ，沿齿面剪切达到极限平衡时有：j j tg N T N T tg ϕϕ⋅'='''=,设齿状结构面内摩擦系数为tg υ，试件若要产生剪切破坏，则作用在试件有的法向力和剪力必须满足以下条件：（3－c ）（3－d ）ββββϕsin cos cos sin T N T N N T tg '-''+'==将式（3－d ）代如（3－c ）则得：)cos()sin(sin sin cos cos cos sin sin cos sin cos cos sin βϕβϕβϕβϕβϕβϕβϕββϕβϕ++=-+='-''+'==j j j j j j j j tg N N tg N N N T tg βϕϕβϕϕ+=+=j j tg tg ,)(即：结论：具有齿面倾角为β角的规则齿状结构面，在较低的正应力作用下，结构面表现出爬坡效应的破坏特征。